Ein SCHÖNERER Ansatz zur Genombearbeitung

Die Genbearbeitungstechnik CRISPR/Cas9 hat es Forschern ermöglicht, präzise und wirkungsvolle Veränderungen an der DNA eines Organismus vorzunehmen, um Mutationen zu beheben, die genetische Krankheiten verursachen. Allerdings kann die CRISPR/Cas9-Methode auch zu unbeabsichtigten DNA-Mutationen führen, die negative Auswirkungen haben können. Kürzlich haben Forscher in Japan eine neue Technik zur Genbearbeitung entwickelt, die genauso effektiv ist wie CRISPR/Cas9 und gleichzeitig diese unbeabsichtigten Mutationen deutlich reduziert.

In einer neuen Studie veröffentlicht in NaturkommunikationForscher unter der Leitung der Universität Osaka stellten eine neuartige Technik namens NICER vor, die auf der Erzeugung mehrerer kleiner Schnitte in einzelnen DNA-Strängen durch ein Enzym namens Nickase basiert.

Bei der herkömmlichen CRISPR/Cas9-Bearbeitung werden kleine Teile des genetischen Codes, sogenannte Guide-RNAs, und ein Enzym namens Cas9 verwendet. Die Leit-RNAs zielen auf einen bestimmten Abschnitt der DNA und das Cas9-Enzym initiiert an dieser Stelle einen Bruch in der doppelsträngigen DNA-Struktur. Dieser Doppelstrangbruch ist der Schlüssel zur Einleitung von Veränderungen in der DNA.

Allerdings kann die zelluläre Reparatur von Doppelstrangbrüchen zu unbeabsichtigten DNA-Mutationen sowie zur Integration exogener DNA in das menschliche Genom führen, was Sicherheitsbedenken für klinische Anwendungen der CRISPR/Cas9-Technologie aufwirft. Um diese unbeabsichtigten Mutationen zu minimieren, untersuchte das von der Universität Osaka geleitete Forschungsteam den Einsatz von Cas9-Nickase, die Einzelstrangbrüche oder „Nicks“ in der DNA erzeugt, die normalerweise repariert werden, ohne Mutationen zu verursachen.

„Jedes Chromosom im Genom hat eine ‚homologe‘ Kopie“, sagt Hauptautorin der Studie Akiko Tomita. „Mit der NICER-Technik werden heterozygote Mutationen – bei denen eine Mutation in einem Chromosom, aber nicht in seiner homologen Kopie auftritt – mithilfe des nicht mutierten homologen Chromosoms als Vorlage repariert.“

Für ihre ersten Experimente verwendete das Forschungsteam menschliche Lymphoblastenzellen mit einer bekannten heterozygoten Mutation in einem Gen namens TK1. Wenn diese Zellen mit Nickase behandelt wurden, um einen einzelnen Schnitt in der TK1-Region zu induzieren, wurde die TK1-Aktivität nur mit geringer Geschwindigkeit wiederhergestellt. Als die Nickase jedoch mehrere Nicks in dieser Region auf beiden homologen Chromosomen induzierte, wurde die Effizienz der Genkorrektur durch die Aktivierung eines zellulären Reparaturmechanismus etwa um das Siebzehnfache gesteigert.

„Weitere Genomanalysen zeigten, dass die NICER-Technik selten Off-Target-Mutationen hervorrief“, sagt der leitende Autor Shinichiro Nakada. „Wir waren auch erfreut, dass NICER in der Lage war, die Expression krankheitsverursachender Gene in Zellen wiederherzustellen, die von genetischen Krankheiten mit zusammengesetzten heterozygoten Mutationen stammen.“

Da die NICER-Methode keine DNA-Doppelstrangbrüche oder den Einsatz exogener DNA beinhaltet, scheint diese Technik eine sichere Alternative zu herkömmlichen CRISPR/Cas9-Methoden zu sein. NICER könnte einen neuartigen Ansatz zur Behandlung genetischer Erkrankungen darstellen, die durch heterozygote Mutationen verursacht werden.